煤炭清洁转化技术丛书--煤炭清洁转化总论

由于煤组成的非均相性，其化学反应呈现非均相复杂性，与同属化石能源和化工原料的石油和天然气相比，煤的清洁转化难度更大。要想实现不同煤种的清洁高效转化，必须了解其结构与组成和转化反应性的关系，而煤转化为清洁能源或化学品的主要反应不外乎以下几个：
C 2H2→CH4（加氢甲烷化）
CH4 H2O→CO 3H2（水蒸气转化）
C H2O→CO H2（水煤气制备）
CO H2O→CO2 H2（水煤气变换）
CO2 C→2CO（CO2歧化）
CO2 CH4→2CO 2H2（CO2重整）
清洁高效甚至低碳排放实现上述反应还离不开具有优良性能的催化剂及其作用。
作为“煤炭清洁转化技术丛书”的第一分册，《煤炭清洁转化总论》正是以煤的转化反应为主线，以煤的转化技术分章节，侧重煤炭利用的基本原理，构建煤炭转化的路线图，通过最新的研究动态和技术进展介绍，以期为读者提供煤炭清洁转化全貌的科学认知。全书共分十章：
第一章是煤炭清洁转化的总体情况概述并就其发展的制约因素及国外发展现状做了分析。
第二章介绍了与煤炭清洁转化利用密切相关的煤的物理性质和化学性质，其中特别总结了煤特性对转化的适应性。
第三章到第六章为煤化学转化最主要的基础反应以及与这些反应相关的技术概况。内容涵盖煤炭热解、煤炭加氢、煤炭燃烧和煤炭气化反应性。
第七章重点论述了煤炭清洁转化的重要共性问题，催化剂和催化作用以及在基本反应中的应用。
第八章是煤的直接利用介绍，除传统的基本技术及进展外，特别介绍了煤基碳素材料的制备。
第九章对煤炭清洁转化面临的挑战，如环境、水资源、节能、碳减排进行了详细分析。
第十章以作者团队的最新研究成果，阐述了具有前瞻性和导向性的煤炭转化清洁低碳、安全高效的发展战略。
作为师生的本书作者团队，深耕煤炭清洁高效转化领域科研教学、技术开发和战略研究多年，撰写本分册的目的除“煤炭清洁转化技术丛书”的需要外，更重要的是助力煤炭清洁高效利用，保障国家能源安全供应的重大需求。但毕竟因为作者一直在大学或科研院所工作，实践经验所限，不妥之处，在所难免。管见所及，虚己以听，望读者不吝赐教。

谢克昌 王永刚 田亚峻
2023年9月9日

本书是“煤炭清洁转化技术丛书”的分册之一，以煤炭清洁转化产业化发展的宏观背景为主线，以煤炭反应性为统领，系统介绍煤炭清洁转化的基本原理，提供煤炭清洁转化的总体轮廓。本书紧密结合我国煤炭清洁转化的技术发展，深度阐述煤炭的性质与利用、热解反应性、加氢反应性、燃烧反应性、气化反应性、转化过程中的催化等基础理论，充分融合国内近年来煤炭清洁转化的最新研究动态和技术进展，突出我国煤炭综合利用特色，结合我国国情分析煤炭清洁转化发展的制约因素，从理论和实践上提出我国煤炭清洁转化发展战略。本书融合了作者团队在煤炭清洁高效转化领域多年的教学科研、技术开发和战略研究经验，可为读者提供煤炭清洁转化全貌的科学认知。本书可供从事煤化工科研、应用的技术人员阅读，也可作为高等院校化学工程与工艺、能源与动力工程、资源与环境工程等相关专业的教学参考书。

谢克昌，中国工程院院士、美国工程院外籍院士，煤化学工程专家，我国煤化工科技领域的开拓者之一。现任现任京津冀协同发展专家咨询委员会委员、光华工程科技奖励基金会理事长等，曾任全国政协常委（九、十、十二届）、全国人大常委（十一届）、民革中央副主席、中国工程院副院长、中国科协副主席、科技委副主任、山西省人大常委会副主任、太原理工大学校长等。长期从事煤化工和煤的清洁高效利用的科研、开发、教学和战略规划研究，连续两次作为首席科学家承担能源领域“973”项目，提出气化煤气与热解煤气共制合成气多联产工艺并指导工程示范；倡导并推动“高碳能源低碳化利用”的立法和实践；主持完成中国工程院“中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究”、“我国非常规天然气开发利用战略研究”、“推动能源生产和消费革命战略研究（一期）、（二期）”等重大咨询项目；为能源的高效利用和可持续发展做出积极贡献。获国家自然科学奖二等奖、国家科学技术奖进步奖二等奖、国家技术发明奖二等奖等奖项。

1煤炭清洁转化概况001
1.1能源的转化和利用002
1.1.1能源的分类002
1.1.2化石能源的转化004
1.1.3化石能源的利用008
1.1.4可再生能源的利用012
1.2煤炭在能源中的地位和作用018
1.2.1煤炭在能源中的地位018
1.2.2煤炭资源的形成020
1.2.3中国的煤炭资源020
1.3中国煤炭清洁转化现状021
1.3.1燃煤发电021
1.3.2煤炭气化023
1.3.3煤炭液化025
1.3.4煤炭热解焦化026
1.3.5煤基含氧燃料027
1.3.6煤经甲醇制烯烃和芳烃030
1.3.7煤制乙二醇和醋酸031
1.3.8煤基炭材料032
1.4中国煤炭清洁转化的相关问题033
1.4.1节能提效033
1.4.2减少水耗和碳排放033
1.4.3环境友好034
1.5世界煤炭清洁转化发展现状035
1.5.1美国036
1.5.2欧盟038
1.5.3日本039
1.5.4其他国家040
参考文献042

2煤的物理和化学性质044
2.1煤的基本化学特征045
2.1.1煤的物理性质045
2.1.2元素组成046
2.1.3工业分析049
2.1.4煤的岩相学特征053
2.1.5煤阶055
2.2煤种的分类指标056
2.2.1坩埚膨胀序数056
2.2.2烟煤黏结指数056
2.2.3胶质层指数057
2.2.4奥阿膨胀度058
2.2.5透光率058
2.2.6发热量058
2.3煤的分类060
2.3.1硬煤国际分类060
2.3.2我国煤的分类061
2.4影响煤转化的特性063
2.4.1反应活性063
2.4.2热稳定性064
2.4.3机械强度065
2.4.4结渣性066
2.4.5熔融性和灰黏度066
2.5煤的特性对转化的适应性067
2.5.1炼焦用煤067
2.5.2气化用煤067
2.5.3液化用煤068
2.5.4燃烧用煤068
参考文献068

3煤炭热解反应性069
3.1煤热解的化学基础069
3.1.1热解理论070
3.1.2煤在热解过程中的化学反应074
3.1.3煤热解动力学076
3.1.4煤热解产物078
3.2影响煤热解反应性的因素079
3.2.1煤化程度的影响079
3.2.2粒度的影响080
3.2.3传热的影响080
3.2.4热解气氛的影响080
3.2.5矿物质影响081
3.2.6热解温度与停留时间的影响081
3.2.7热解压力的影响081
3.2.8升温速率的影响081
3.2.9反应器类型的影响082
3.3热解反应性与煤的分级利用082
3.3.1煤热解分级利用技术082
3.3.2煤部分气化分级利用技术084
3.3.3煤完全气化分级利用技术085
3.4热解与焦炭的生产087
3.4.1焦炭生产087
3.4.2炼焦用煤与焦炭质量090
3.4.3焦化产业发展092
参考文献093

4煤炭加氢反应性095
4.1煤与氢的反应095
4.2煤加氢过程的化学原理096
4.2.1加氢反应原理096
4.2.2加氢反应条件097
4.2.3加氢催化剂098
4.3煤加氢液化反应098
4.3.1液化基本原理098
4.3.2液化反应过程105
4.3.3煤质与煤的液化特性105
4.3.4液化过程中溶剂的作用107
4.3.5液化产业发展109
4.4煤加氢热解反应114
4.4.1加氢热解原理114
4.4.2加氢热解技术分类115
4.4.3加氢热解的发展115
4.4.4加氢热解存在的问题116
4.5煤加氢气化反应116
4.5.1煤加氢气化原理116
4.5.2国内外加氢气化工艺118
4.5.3煤加氢气化存在的问题119
参考文献120

5煤炭燃烧反应性122
5.1化学基础122
5.1.1物料燃烧过程的概述124
5.1.2煤燃烧过程的反应和动力学124
5.2燃烧方法127
5.2.1燃烧过程的主要控制参数128
5.2.2燃烧装置的性能130
5.3燃烧方式与设备130
5.3.1煤的层状燃烧131
5.3.2煤粉燃烧133
5.3.3旋风燃烧锅炉136
5.3.4流化床燃烧138
5.3.5几种燃烧设备的优缺点140
5.4煤炭燃烧工程140
5.4.1煤炭燃烧反应性140
5.4.2煤炭燃烧发电143
5.4.3煤炭燃烧技术发展144
参考文献147

6煤炭气化反应性149
6.1煤炭气化的化学基础149
6.1.1气化反应性149
6.1.2煤气化反应的影响因素150
6.1.3煤气化反应和反应动力学153
6.2煤炭气化反应机理155
6.3工业化煤气化156
6.3.1气化炉分类156
6.3.2煤质适用性163
6.3.3煤气化发展趋势164
6.4合成气制烃类化学品164
6.4.1合成气制汽油/柴油165
6.4.2合成气制低碳烯烃165
6.4.3合成气转化制α烯烃165
6.5合成气制含氧化合物165
6.5.1合成气制甲醇165
6.5.2甲醇制烯烃166
6.5.3合成气制乙二醇167
6.6合成气制化学品168
6.7合成气制氢气169
6.7.1基本原理169
6.7.2工艺流程170
6.7.3未来发展172
参考文献172

7煤转化过程中的催化175
7.1煤转化中的催化176
7.2煤燃烧中的催化177
7.2.1煤粉燃烧中的催化原理177
7.2.2煤粉催化燃烧用催化剂178
7.3煤气化中的催化179
7.3.1煤气化中的催化原理179
7.3.2气化催化剂的有效组分181
7.4煤直接液化中的催化182
7.4.1煤直接液化催化原理182
7.4.2煤直接液化催化剂183
7.4.3提高煤直接液化催化剂活性184
7.5煤热解中的催化184
7.5.1催化原理及反应性184
7.5.2煤热解用催化剂186
7.5.3焦油催化加氢187
7.6煤转化过程中催化的共性问题189
7.6.1催化活性组分189
7.6.2非均相催化过程中的传质和扩散190
7.6.3煤转化对催化剂的要求191
参考文献192

8煤的综合利用194
8.1煤炭分选194
8.1.1湿法选煤194
8.1.2干法选煤196
8.1.3煤炭分选的发展197
8.2煤矸石198
8.2.1煤矸石的组成198
8.2.2煤矸石的应用200
8.2.3煤矸石的产业化202
8.3粉煤灰203
8.3.1粉煤灰的组成203
8.3.2粉煤灰的应用203
8.3.3粉煤灰的产业化205
8.4水煤浆207
8.4.1水煤浆的性质207
8.4.2水煤浆制备技术209
8.4.3水煤浆燃烧与气化213
8.4.4水煤浆技术发展215
8.5型煤217
8.5.1型煤技术217
8.5.2型煤的分类222
8.5.3型煤应用223
8.5.4型煤技术发展225
8.6煤基腐植酸227
8.6.1煤基腐植酸的资源分布227
8.6.2煤基腐植酸的提取工艺228
8.6.3煤基腐植酸的应用230
8.6.4煤基腐植酸的研发与产业化231
8.7褐煤蜡232
8.7.1褐煤蜡的性质与应用232
8.7.2褐煤蜡的提取技术235
8.7.3褐煤蜡产业的发展与资源237
8.8煤基碳素材料239
8.8.1煤直接转化制碳素材料239
8.8.2煤转化产物制碳素材料241
参考文献245

9中国煤炭清洁转化发展面临的挑战249
9.1环境问题249
9.1.1煤转化过程的污染物来源249
9.1.2煤转化过程的“废气”处理252
9.1.3煤转化过程的“废水”处理254
9.1.4煤转化过程的“废渣”处理255
9.2水资源问题256
9.3节能问题258
9.4碳减排问题260
9.4.1二氧化碳排放现状260
9.4.2高效节能减排技术260
9.4.3耦合可再生能源减排技术261
9.4.4CCS/CCUS技术262
9.4.5CO2资源化利用262
参考文献265

10中国煤炭清洁转化发展战略266
10.1中国煤炭清洁转化产业发展现状和技术发展趋势266
10.1.1产业现状267
10.1.2技术趋势268
10.1.3煤炭清洁转化中的化学化工问题269
10.2中国煤炭清洁转化发展战略271
10.2.1清洁发展战略271
10.2.2低碳发展战略272
10.2.3安全发展战略272
10.2.4高效发展战略273
10.3中国煤炭清洁转化技术发展建议274
10.3.1现代化274
10.3.2大型化275
10.3.3分质联产化275
10.3.4原料多元化275
10.3.5洁净化276
10.4“十四五”期间中国煤炭清洁转化发展思考276
参考文献277

本书是“煤炭清洁转化技术丛书”的分册之一，以煤炭清洁转化产业化发展的宏观背景为主线，以煤炭反应性为统领，系统介绍煤炭清洁转化的基本原理，提供煤炭清洁转化的总体轮廓。本书紧密结合我国煤炭清洁转化的技术发展，深度阐述煤炭的性质与利用、热解反应性、加氢反应性、燃烧反应性、气化反应性、转化过程中的催化等基础理论，充分融合国内近年来煤炭清洁转化的最新研究动态和技术进展，突出我国煤炭综合利用特色，结合我国国情分析煤炭清洁转化发展的制约因素，从理论和实践上提出我国煤炭清洁转化发展战略。本书融合了作者团队在煤炭清洁高效转化领域多年的教学科研、技术开发和战略研究经验，可为读者提供煤炭清洁转化全貌的科学认知。本书可供从事煤化工科研、应用的技术人员阅读，也可作为高等院校化学工程与工艺、能源与动力工程、资源与环境工程等相关专业的教学参考书。

谢克昌，中国工程院院士、美国工程院外籍院士，煤化学工程专家，我国煤化工科技领域的开拓者之一。现任现任京津冀协同发展专家咨询委员会委员、光华工程科技奖励基金会理事长等，曾任全国政协常委（九、十、十二届）、全国人大常委（十一届）、民革中央副主席、中国工程院副院长、中国科协副主席、科技委副主任、山西省人大常委会副主任、太原理工大学校长等。长期从事煤化工和煤的清洁高效利用的科研、开发、教学和战略规划研究，连续两次作为首席科学家承担能源领域“973”项目，提出气化煤气与热解煤气共制合成气多联产工艺并指导工程示范；倡导并推动“高碳能源低碳化利用”的立法和实践；主持完成中国工程院“中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究”、“我国非常规天然气开发利用战略研究”、“推动能源生产和消费革命战略研究（一期）、（二期）”等重大咨询项目；为能源的高效利用和可持续发展做出积极贡献。获国家自然科学奖二等奖、国家科学技术奖进步奖二等奖、国家技术发明奖二等奖等奖项。